一種用于捕獲人體上肢運(yùn)動(dòng)信息的穿戴系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于捕獲人體上肢運(yùn)動(dòng)信息的穿戴系統(tǒng)，屬于人機(jī)交互設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來人機(jī)交互技術(shù)迅猛發(fā)展，它主要是通過相關(guān)設(shè)備識(shí)別人的各種行為動(dòng)作、身體姿勢(shì)等與計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)游戲、操作訓(xùn)練、健身等功能。捕獲人體運(yùn)動(dòng)是其中關(guān)鍵。目前，人體運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)大部分是基于圖像識(shí)別技術(shù)，需要攝像頭等外接設(shè)備，易受到光照、環(huán)境等條件的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提出一種用于捕獲人體上肢運(yùn)動(dòng)信息的穿戴系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)捕獲手臂、手掌和每個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)信息，并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，應(yīng)用于人機(jī)交互、遙操作、上肢康復(fù)監(jiān)測(cè)等多方面。
[0004]本發(fā)明提出的用于捕獲人體上肢運(yùn)動(dòng)信息的穿戴系統(tǒng)，包括:
[0005]多個(gè)傳感器，用于采集人體上肢每個(gè)關(guān)節(jié)的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量，包括手臂傳感器、手掌傳感器和手指?jìng)鞲衅鳎直蹅鞲衅骱褪终苽鞲衅飨嗷ゴ?lián)，穿戴在手臂和手掌上，手指?jìng)鞲衅鞣譃槲褰M，每組中各傳感器相互串聯(lián)，分別穿戴在五根手指的各個(gè)關(guān)節(jié)上，并將采集的人體上肢每個(gè)關(guān)節(jié)的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量通過信號(hào)線發(fā)送到中央處理器；
[0006]中央處理器，用于接收多個(gè)傳感器采集的人體上肢每個(gè)關(guān)節(jié)的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量，實(shí)時(shí)計(jì)算各手指關(guān)節(jié)、手掌和手臂的姿態(tài)、速度和位置，中央處理器穿戴在手掌或手臂上，中央處理器通過信號(hào)線與多個(gè)傳感器相連；
[0007]無線傳輸模塊，通過將上述中央處理器計(jì)算得到各手指關(guān)節(jié)、手掌和手臂的姿態(tài)、速度和位置，通過無線方式發(fā)送到顯示器；
[0008]電源，用于為多個(gè)傳感器、中央處理器和無線傳輸模塊供電，電源穿戴在手臂上；
[0009]顯示器，通過無線傳輸模塊接收中央處理器計(jì)算得到的各手指關(guān)節(jié)、手掌和手臂的姿態(tài)、速度和位置，并根據(jù)接收的各手指關(guān)節(jié)、手掌和手臂的姿態(tài)、速度和位置，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)人體上肢仿真模型。
[0010]本發(fā)明提出的用于捕獲人體上肢運(yùn)動(dòng)信息的穿戴系統(tǒng)，無需外接設(shè)備如攝像頭等就可以進(jìn)行工作，不受環(huán)境光照、遮擋等影響，適應(yīng)力強(qiáng)，穿戴方便，能適應(yīng)不同人體上肢，能實(shí)時(shí)、完整、快速地捕獲手臂、手掌和每個(gè)手指的加速度、速度、姿態(tài)和位置等運(yùn)動(dòng)信息。本發(fā)明的穿戴系統(tǒng)可以遠(yuǎn)距離傳輸并直觀顯示，能應(yīng)用于人機(jī)交互、遙操作、上肢康復(fù)監(jiān)測(cè)等多種領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明提出的用于捕獲人體上肢運(yùn)動(dòng)信息的穿戴系統(tǒng)的流程框圖。
[0012]圖2是本發(fā)明的穿戴系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2中，I是傳感器，2是電源，3是中央處理器，4是無線傳輸模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0014]本發(fā)明提出的用于捕獲人體上肢運(yùn)動(dòng)信息的穿戴系統(tǒng)，流程框圖如圖1所示，包括:
[0015]多個(gè)傳感器1，用于采集人體上肢每個(gè)關(guān)節(jié)的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量，包括手臂傳感器、手掌傳感器和手指?jìng)鞲衅?，手臂傳感器和手掌傳感器相互串?lián)，穿戴在手臂和手掌上，手指?jìng)鞲衅鞣譃槲褰M，每組中各傳感器相互串聯(lián)，分別穿戴在五根手指的各個(gè)關(guān)節(jié)上；本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，一共采用18個(gè)傳感器模塊，其中5串分別穿戴在5根手指的每個(gè)關(guān)節(jié)，一串穿戴在手掌、小臂和大臂上，如圖2所示，并將采集的人體上肢每個(gè)關(guān)節(jié)的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量通過信號(hào)線發(fā)送到中央處理器；
[0016]中央處理器3，用于接收多個(gè)傳感器采集的人體上肢每個(gè)關(guān)節(jié)的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量，實(shí)時(shí)計(jì)算各手指關(guān)節(jié)、手掌和手臂的姿態(tài)、速度和位置，中央處理器穿戴在手掌或手臂上，中央處理器通過信號(hào)線與多個(gè)傳感器相連。
[0017]無線傳輸模塊4，通過將上述中央處理器計(jì)算得到各手指關(guān)節(jié)、手掌和手臂的姿態(tài)、速度和位置，通過無線方式發(fā)送到顯示器；
[0018]電源2，用于為多個(gè)傳感器、中央處理器和無線傳輸模塊供電，電源穿戴在手臂上，電源為小型鋰電池，輸出電壓5v。
[0019]顯示器，通過無線傳輸模塊接收中央處理器計(jì)算得到的各手指關(guān)節(jié)、手掌和手臂的姿態(tài)、速度和位置，并根據(jù)接收的各手指關(guān)節(jié)、手掌和手臂的姿態(tài)、速度和位置，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)人體上肢仿真模型。
[0020]本發(fā)明提出的用于捕獲人體上肢運(yùn)動(dòng)信息的穿戴系統(tǒng)中，中央處理器的計(jì)算流程如下所示:
[0021](I)根據(jù)每個(gè)傳感器的測(cè)量信息，利用卡爾曼濾波，得到每個(gè)傳感器三維姿態(tài)，用四元素Qi表示三維姿態(tài)，其中穿戴在大臂、小臂和手掌的傳感器的姿態(tài)分別為Q 1、Q2、Q3，穿戴在大拇指近端關(guān)節(jié)、中端關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)上傳感器的姿態(tài)分別為Qn、Q12, Q13,同理食指、中指、無名指、小指上傳感器模塊I的姿態(tài)分別為Q21、q22、q23，q31、q32、q33，q41、q42、q43，q51、Q52、Q53;
[0022](2)以大臂作為基關(guān)節(jié)，得到大臂的姿態(tài)為Q1= Q工，小臂的姿態(tài)為q2= Q 2.qp手掌的姿態(tài)為q3= Q3.q2，大拇指、食指、中指、無名指、小指的每個(gè)關(guān)節(jié)姿態(tài)表示為Qjl =Qji.q3，Qj2= Q J2.q3，qJ3= Q J3.，其中 j = 1,2，3,4,5 ；
[0023](3)將關(guān)節(jié)姿態(tài)進(jìn)行微分，然后乘以各自關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度，就得到了上肢運(yùn)動(dòng)的速度信息;
[0024](4)將各自關(guān)節(jié)的姿態(tài)和長(zhǎng)度相乘，就得到了上肢運(yùn)動(dòng)的位置信息。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于捕獲人體上肢運(yùn)動(dòng)信息的穿戴系統(tǒng)，其特征在于該穿戴系統(tǒng)包括: 多個(gè)傳感器，用于采集人體上肢每個(gè)關(guān)節(jié)的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量，包括手臂傳感器、手掌傳感器和手指?jìng)鞲衅?，手臂傳感器和手掌傳感器相互串?lián)，穿戴在手臂和手掌上，手指?jìng)鞲衅鞣譃槲褰M，每組中各傳感器相互串聯(lián)，分別穿戴在五根手指的各個(gè)關(guān)節(jié)上，并將采集的人體上肢每個(gè)關(guān)節(jié)的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量通過信號(hào)線發(fā)送到中央處理器； 中央處理器，用于接收多個(gè)傳感器采集的人體上肢每個(gè)關(guān)節(jié)的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量，實(shí)時(shí)計(jì)算各手指關(guān)節(jié)、手掌和手臂的姿態(tài)、速度和位置，中央處理器穿戴在手掌或手臂上，中央處理器通過信號(hào)線與多個(gè)傳感器相連； 無線傳輸模塊，通過將上述中央處理器計(jì)算得到各手指關(guān)節(jié)、手掌和手臂的姿態(tài)、速度和位置，通過無線方式發(fā)送到顯示器； 電源，用于為多個(gè)傳感器、中央處理器和無線傳輸模塊供電，電源穿戴在手臂上；顯示器，通過無線傳輸模塊接收中央處理器計(jì)算得到的各手指關(guān)節(jié)、手掌和手臂的姿態(tài)、速度和位置，并根據(jù)接收的各手指關(guān)節(jié)、手掌和手臂的姿態(tài)、速度和位置，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)人體上肢仿真模型。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于捕獲人體上肢運(yùn)動(dòng)信息的穿戴系統(tǒng)，屬于人機(jī)交互設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。穿戴系統(tǒng)包括用于采集人體上肢每個(gè)關(guān)節(jié)的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量的傳感器，用于接收人體上肢每個(gè)關(guān)節(jié)的三維角速度、加速度和磁矢量，實(shí)時(shí)計(jì)算各手指關(guān)節(jié)、手掌和手臂的姿態(tài)、速度和位置的中央處理器，通過將各手指關(guān)節(jié)、手掌和手臂的姿態(tài)、速度和位置發(fā)送到顯示器的無線傳輸模塊，用于接收各手指關(guān)節(jié)、手掌和手臂的姿態(tài)、速度和位置，并實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)人體上肢仿真模型的顯示器。本穿戴系統(tǒng)適應(yīng)力強(qiáng)，穿戴方便，能實(shí)時(shí)、完整、快速地捕獲手臂、手掌和每個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)信息，可以遠(yuǎn)距離傳輸并直觀顯示，能應(yīng)用于人機(jī)交互、遙操作、上肢康復(fù)監(jiān)測(cè)等多種領(lǐng)域。
【IPC分類】G06F3/01, G06F3/0346
【公開號(hào)】CN104881118
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510271805
【發(fā)明人】方斌, 孫富春, 劉華平
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)
【公開日】2015年9月2日
【申請(qǐng)日】2015年5月25日